Bi、Sb基化合物单晶的载流子调控与物性研究

FeAs compounds with ThCr2Si2 structure cause great attention when they are doped into pnictide superconductors. Other 3d transition metal arsenides present different physical properties, including itinerant antiferromagnets, antiferromagnetic semiconductors, band renormalized metals, conventional superconductors, diamagnetic metals, nonmagnetic narrow band semiconductors. On the other hand, transition metal bismuthides or antimonides need more attention and studies. Focusing on the physics of magnetic structure and magnetic transition in BaMn2Bi2, this project plans to extend the study into the crystal growth of Bi、Sb-based compounds with ThCr2Si2, CuHfSi2, and CuSmP2 structures, and study their transport properties and magnetism when they are doped with carriers, to elucidate the physics of magnetism.

具有ThCr2Si2结构的铁砷化合物母体材料掺杂后得到的铁基超导体获得了大量关注和深入研究，同结构的其他3d过渡金属砷化物则呈现了非常丰富的物理现象，覆盖了巡游反铁磁金属，反铁磁半导体，顺磁能带重整化金属，具有结构相变的电-声子相互作用超导，抗磁金属，非磁窄带半导体等多个具有十分丰富物理问题的材料体系。比较而言，过渡金属铋化物、锑化物的研究则刚刚开始，大量值得深入系统研究的材料体系有待进一步探索与合成。以BaMn2Bi2为原型材料，针对其所具有的磁结构、磁相变等具体物理问题，本项目拟进一步开展具有ThCr2Si2, CuHfSi2, CuSmP2结构的Bi、Sb基化合物材料合成与晶体生长工作，系统研究材料在不同元素位置载流子调控下所具有的输运性质以及磁结构、磁相变现象，揭示其磁相互作用物理本质。

本项目主要开展了具有ThCr2Si2, CuHfSi2, CuSmP2结构的Bi、Sb基化合物材料合成与晶体生长以及磁输运物性研究工作。我们系统生长了BaMnBi2，BaZnBi2，YbMnSb2，EuMnSb2等单晶，并对其中可能具有的量子物理现象予以研究。研究发现BaZnBi2材料不同于BaMnBi2，未呈现出拓扑非平庸的物性。此外，经过分析我们认为BaZnBi2内部具有一定打破原有晶体结构对称性的因素，单晶XRD数据上呈现晶体空间群所不允许的衍射峰。BaZnBi2后来被其他工作证实内部存在电荷有序。我们首次独立生长了YbMnSb2单晶并开展系统的磁输运研究。观察到了明显的量子振荡（SdH & dHvA），分析得到了非平庸的Berry相位和小的有效质量。此外，我们还观察到了层间相干导致的Yamaji峰。EuMnSb2的部分前期工作显示该材料内部具有较明显的量子霍尔效应，相应的工作在进一步开展与整理之中。此外，基于本项目资助我们同时开展了NbAs2/TaAs2/NbSb2/TaSb2、YSb/HoSb/TmSb/LnBi、CoSi/RhSn/PdGa/PtGa、CaAl4/BaGa4/BaIn4、BaAgAs Family等晶体生长和拓扑物性研究并取得了很好的进展。这些工作对理解和推动拓扑领域相关研究均起到了积极作用。